KR20160129522A - 3d 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 비전도성 재료로 여러 층의 구조물을 만들고, 직접주사 기술을 이용하여 전도성 재료로 회로도선을 만드는 방식으로 3차원 회로를 형성하는 방법 및 이에 의해 만들어진 3차원 회로에 관한 것이다.
본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 비전도성 재료로 한층 한층 반복 적층해서 회로 기판의 기저층인 구조물을 만들고, 도전성 재료로 회로도선을 만드는 새로운 3차원 회로 형성함에 있어서, 구조물의 단면 형성 중에 구조물 단면 상에 회로소자 장착 및 회로도선 형성을 위한 홈(Groove)를 각각 만들고, 이렇게 형성한 홈을 이용하여 회로소자를 장착함과 더불어 회로도선을 형성하는 새로운 3차원 회로 형성방법을 구현함으로써, 회로도선의 단선을 효과적으로 막을 수 있는 등 제조 불량을 줄이고 제품의 품질을 확보하면서 공정의 효율성을 크게 증가시킬 수 있는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로를 제공한다.

Description

3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로{Fabrication method of three-dimensional circuit using 3D printing and the three-dimensional circuit}

본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 비전도성 재료로 여러 층의 구조물을 만들고 전도성 재료로 회로도선을 만드는 방식으로 3차원 회로를 형성하는 방법 및 3차원 회로에 관한 것이다.

일반적으로 전자제품은 절연기판 위에 금속회로가 광화학적으로 형성되어 있는 구조인 인쇄회로기판(Printed Circuit Board;PCB) 상에 센서 및 엑추에이터를 포함하는 각각의 전자부품인 회로소자가 고정되어 전기적인 회로를 형성하고 있는 형태로 이루어지며, 이러한 회로소자 및 인쇄회로기판은 외부 환경에 대한 보호 및 제품외관 형성을 위한 케이스 등의 부품 내부에 적절히 장착된다.

보통 인쇄회로기판은 전자 및 정보통신 분야의 기술발전에 따라서 많은 새로운 기술들이 개발 및 적용되고 있으며, 현재 가장 많이 이용되고 있는 형태는 평판 형태의 인쇄회로기판(Rigid PCB)이다.

하지만, 평판 형태의 인쇄회로기판을 이용하면 현재 전자제품들에 많이 요구되는 추세인 제품의 소형화 및 경량화에 제한이 따르게 되며, 인쇄회로기판의 형상에 따라 제품의 외관형상 설계 또한 제약이 있게 된다.

따라서, 최근 들어 연성이 높은 필름에 회로를 인쇄하여 자유롭게 휘어질 수 있는 flexible PCB 또는 wearable electronics 등의 기존의 평판 모양을 가진 기판을 대체할 수 있는 새로운 개념이 개발되고 있다.

그리고, 최근에는 별도의 부품을 사용하지 않고 제품의 케이스 내부 등에 직접 회로기판을 생성하여 사용하는 MID(Molded Interconnect Device)가 개발되고 있다.

현재 이들 기술들은 도입기에 있다고 볼 수 있으며, 현재까지도 대부분의 회로기판을 대체하지는 못하고 있다.

즉, 플렉시블(flexible) PCB의 경우 비록 굽혀지는 것이 가능하지만, 이 또한 제한적인 3차원 형상만을 가지기 때문에 제품설계의 자유도에 제한을 주게 되고, 제조공정의 특성으로 인해 복잡한 다층구조의 제작이 어렵다.

또한, MID 기술의 경우 도금공정의 한계로 인해 그 크기와 한계전류의 제한이 따르게 된다.

현재까지 개발되고 있는 회로기판과 관련한 기술들은 회로 소자들의 부착 및 이들 간의 연결에 필요한 인쇄회로기판의 형태에 대한 것들이 대부분으로서, 여기에 회로소자들을 부착하거나 연결하여야 하기 때문에 이에 따른 별도의 공간 및 조립에 대한 고려가 필요하다.

또한, 비록 MID가 제품 케이스 내부에 회로기판을 성형하여 별도의 회로기판을 제작하고 이를 조립하는 것에 대한 개선점을 가지고 있지만, 이 또한 제품 케이스의 내부형상을 따르는 제한적인 형태만을 가지며 회로소자들의 조립에 대한 고려가 필요하다.

그리고 이들 기술들은 모두 평판 형태의 인쇄회로기판이 가지고 있는 복잡한 형태의 다층회로기판을 구현하기에는 한계를 보이고 있다.

이를 위해 최근에는 3D 프린팅 기술을 이용하여 자유로운 형상을 가지면서도 그 내부에 회로소자를 3차원으로 배열할 수 있는 3차원 회로장치 제작기술에 대한 요구가 점차 증대되고 있다.

이러한 점을 고려하여 한국 공개특허 10-2014-0134037호에서는 쾌속조형 기술과 직접주사 기술을 이용하여 3차원 회로기판 내장부품을 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이 방법은 전반적으로 공정이 복잡할 뿐만 아니라 회로도선 형성 시 선폭 조절에 어려움이 있고 배선이 끊어질 우려가 있는 등 품질을 확보하는데 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형태의 3차원 회로기판을 단순한 공정을 통해 효과적으로 제작할 수 있음과 아울러, 회로도선의 단선을 효과적으로 막을 수 있는 등 제조 불량을 줄이고 제품의 품질을 확보할 수 있는 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법은 다음과 같은 특징이 있다.

비전도성 재료를 노즐을 통해 압출하여 구조물을 형성하는 단계에 있어서, 구조물의 단면을 형성하는 중에 회로소자 삽입을 위한 홈을 형성하는 단계와, 상기 구조물의 단면 형성 중에 회로소자 삽입을 위한 홈의 한쪽 옆에 회로도선 성형을 위한 홈을 형성하는 단계와, 상기 회로소자 삽입을 위한 홈에 회로소자를 장착함과 아울러 상기 회로도선 성형을 위한 홈에는 전도성 재료를 채워서 회로소자와 전기적으로 연결하는 단계 및 상기 회로도선과 회로소자가 있는 구조물의 단면 위에 비전도성 재료로 구조물을 적층 형성하는 단계로 이루어진다.

여기서, 구조물은 FDM 방식을 이용하여 비전도성 재료를 토출하여 형성되고, 회로도선은 직접주사 방식을 이용하여 전도성 재료를 토출하여 형성된다.

이때, FDM 장치와 상기 직접주사 장치는 하나의 헤드에 일체로 장착되어 FDM 방식에 의한 비전도성 재료의 토출과 직접주사 방식에 의한 전도성 재료의 토출이 단일 공정에서 수행된다.

또한 상기 구조물 형성 시에 회로도선의 수직방향 연결을 위하여 회로도선이 위치하는 각 층 사이에 수직방향의 홀을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 수직방향의 홀에 전도성 재료를 주입하거나 또는 전도성 재료로 이루어진 핀(pin)을 삽입하여 각 층의 회로도선 간을 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 구조물의 단면 형성 중에 노즐로부터 토출되는 비전도성 재료의 폭과 두께 조절을 통해 구조물 단면에 그물망 형태가 발생되지 않도록 성형될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되는 3차원 회로는 다음과 같이 이루어진 것을 특징으로 한다.

비전도성 재료가 적층되어 이루어진 구조물과, 상기 구조물의 적층된 단면에 형성된 회로소자 홈에 장착되는 회로소자와, 상기 회로소자 홈의 한쪽 옆에 형성된 회로도선 홈에 전도성 재료가 채워져서 회로소자와 전기적으로 연결되는 회로도선을 포함한다.

그리고 상기 회로도선이 위치하는 각 층 사이에 회로도선의 수직방향 연결을 위하여 형성된 홀에는 전도성 재료가 주입되거나 또는 전도성 재료로 이루어진 핀(pin)이 삽입된다.

본 발명에서 제공하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법과 이에 의해 제작되는 3차원 회로는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 회로소자 및 회로도선이 3차원으로 배열된 3차원 회로 장치를 기존과 같은 여러 단계의 제작공정을 거치지 않고 상대적으로 매우 단순한 공정을 통해서 제작할 수 있으며, 특히 구조물을 형성하는 과정에서 회로소자 삽입을 위한 홈과 회로도선 배선을 위한 홈을 일체로 형성하고, 이렇게 형성한 홈에 회로소자를 삽입함과 더불어 전도성 재료를 채움으로써, 회로도선의 단선이 원천적으로 방지되어 제조 불량을 크게 줄일 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있다.

둘째, 구조물의 단면에 모든 회로소자의 도선부위가 해당 단면 위에 배열됨으로써 회로소자 삽입을 위한 홈에 장착되는 회로소자의 방향 설정이 용이하고 또한 회로소자와 전도성 재료와의 전기적 연결을 용이하게 수행할 수 있어 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

셋째, FDM 방식과 직접주사 방식을 통해 다중재료를 동시에 적용하여 단일 공정에서 동시 성형할 수 있으므로, 공정의 효율성을 높일 수 있다.

넷째, 회로 도선이 성형되는 구조물 단면에 그물망 형태가 발생되지 않도록 노즐에서 토출되는 비전도성 재료의 폭과 두께를 최적 범위로 조절하여 성형함으로써 단선 및 합선이 발생되지 않는 제품을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법을 나타내는 블럭도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법을 구현하기 위한 FDM 장치와 직접주사 장치의 복합 시스템을 도시한 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로를 나타내는 평면 개략도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로를 나타내는 단면 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법에서 회로도선 배선을 위한 홈 형태를 나타내는 개략도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법에서 그물망 형태의 구조물을 나타내는 도면
도 7은 재료가 토출되는 노즐과 기저판 사이의 간격이 성형된 구조물의 폭에 미치는 영향을 보여주기 위한 개념도이다.

본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 3차원 회로 장치의 제작 공정을 개선하여 복잡한 형태의 3차원 회로기판을 단순한 공정을 통해 효과적으로 제작할 수 있음과 아울러, 회로도선의 단선을 효과적으로 막을 수 있는 등 제조 불량을 줄이고 제품의 품질을 확보할 수 있도록 한 것이다.

구체적으로 3D 프린팅 방식 중에서 FDM 기술을 이용하여 비전도성 재료로 여러 층의 구조물의 단면을 만들고, 구조물의 단면에 장착된 회로소자 간에 전기적 연결을 위해 직접주사 기술을 이용하여 전도성 재료로 회로도선을 형성함에 있어 회로소자와 전도성 재료와의 전기적 연결을 용이하게 하고 또한 전도성 재료(회로도선)의 단선을 효과적으로 방지할 수 있도록 한 것이다

이를 위해 본 발명은 FDM 방식으로 구조물의 단면 형성 중에 회로소자 삽입을 위한 홈과 회로소자 삽입 홈의 한쪽 옆에 회로도선 성형을 위한 홈을 하나의 공정에서 일체로 형성하는 것을 해결 원리로 하였다.

나아가 본 발명은 FMD 방식와 직접주사 방식을 별도의 장치를 이용하여 FMD 공정이 완료된 후에 이를 직접주사 장치로 옮겨서 수작업으로 3차원 회로를 제작하는 것이 아니라 FMD 방식과 직접주사 방식을 하나의 헤드로 통합하여 단일공정에서 연속적으로 3차원 회로를 제작한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법을 나타내는 블럭도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법을 구현하기 위한 FDM 장치와 직접주사 장치의 복합 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법에서는 3차원 형상을 얇은 단면으로 나누고 이를 순차적으로 쌓아 올려 구조물을 제작하게 된다.

따라서, 구조물 제작 과정 중 내부에 다른 재료의 삽입이 가능하게 된다.

특히, 본 발명의 방법으로 3차원 형상을 제작함과 동시에 직접주사 방식을 사용하여 회로를 성형하고 회로소자를 배치함으로써, 3차원 회로 장치를 구현할 수 있다.

이때, 구조물을 성형하는 FDM 장치와 회로도선을 성형하는 직접주사 장치는 하나로 통합하고, 이러한 통합 시스템을 통해 구조물을 이루는 비전도성 재료와 회로도선을 이루는 전도성 재료를 순차적으로 토출하여 단일 공정에서 3차원 회로 장치를 효과적으로 제작할 수 있게 된다.

이러한 FDM 기술과 직접주사 기술의 통합 시스템에 의한 3차원 회로 장치의 구현을 위한 제작공정에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

(1) CAD 데이터 설계

3차원 회로 장치의 제작을 위해 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 구조물을 설계한다.

이러한 CAD 데이터에는 회로소자 삽입 및 회로도선 성형을 위한 홈과 회로도선의 수직방향 연결을 위한 홀이 위치하며, 홈과 홀은 제작하고자 하는 회로를 바탕으로 구조물 내부에 3차원으로 배열된다.

(2) 구조물 제작

설계된 CAD 데이터에 따라 FDM 기술을 통해 구조물을 성형한다.

예를 들면, 열가소성 플라스틱 재료를 용융하고, 이를 노즐을 통해 압출하여 구조물을 적층 및 조형한다.

홈이 위치하는 층의 성형이 완료되면, 구조물 성형을 일시 정지시킨다.

(3) 회로소자 삽입 및 회로도선 성형

제작된 홈에 회로소자를 삽입한다.

직접주사 방식을 통해 전도성 잉크나 땜납 등과 같은 전도성 재료를 노즐이나 디스펜서 등으로 토출하여 회로도선을 성형하며, 이를 통해 회로소자를 전기적으로 연결한다.

이때, FDM 방식에 의해 ABS 계열의 플라스틱 재료로 제작된 구조물은 PCB의 절연체 역할을 하게 된다.

(4) 구조물 제작 및 회로도선의 수직 방향 연결

회로소자 삽입 및 회로도선 성형을 완료한 후, 다음 홈이 위치하는 층까지 구조물을 계속 성형한다.

특히, 회로도선의 수직 방향 연결은 회로도선이 위치하는 층 사이에 수직 방향의 홀을 성형한다. 수직 방향의 홀에는 액체상태의 전도성 재료를 주입하거나 또는 절적한 길이의 전도성 재료로 된 핀(pin)을 삽입하여 각 층의 회로도선 간을 전기적으로 연결할 수 있다.

위의 공정을 반복함으로써 구조물 내부에 회로소자 및 회로도선이 3차원으로 배열된 3차원 회로 장치의 제작이 완료된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법 및 3차원 회로를 나타내는 평면 및 단면 개략도이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 3차원 회로 형성방법은 FDM 기술과 직접주사 기술을 통해 다중재료(비전도성 재료와 전도성 재료)를 단일 공정에서 동시에 성형하여 3차원 회로를 형성하는 방법이다.

즉, FDM 방식을 이용하여 비전도성 재료로 한층 한층 반복 적층하여 구조물을 만들고, 직접주사 방식을 이용하여 전도성 재료로 회로도선을 형성함과 더불어 회로소자의 장착 및 이를 전기적으로 연결함으로써, 복잡하고 다양한 형태의 3차원 회로를 단순한 공정을 통해 제작할 수 있는 방법이다.

이를 위하여, 상기 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법은 FDM 방식으로 구조물을 형성하는 제1단계 공정을 포함한다.

상기 1단계 공정은 비전도성의 고체재료, 예를 들면 ABS 계열 등의 플라스틱 재료를 용융시키고, 이렇게 용융시킨 고체재료를 노즐을 통해 압출하여 얇은 단면을 가지는 판 상의 구조물(10)을 형성하는 공정이다.

이러한 판 상의 구조물(10)은 적어도 1개층이 될 수 있으며, 회로소자(11)의 삽입 깊이 확보를 위해 복수 개의 층을 형성하는 것이 바람직하다.

일 예로서, 1단계 공정에서는 4~5개의 층을 차례로 적층한 구조물(10)을 형성할 수 있게 된다.

그리고 상기 구조물(10)을 형성하는 제1단계에서는 회로소자(11)를 삽입하기 또 회로도선(12)을 성형하기 위한 홈(13)을 형성하는 단계가 수행된다.

즉, FDM 방식을 통해 비전도성 재료를 적층하여 구조물(10)을 형성함에 있어서, 구조물 층에 회로소자(11)의 삽입 및 회로도선(12)의 성형을 위한 홈(13)을 형성하면서 3차원 회로를 제조할 수 있게 된다.

이를 위하여, 여러 층으로 적층되어 있는 구조물(10) 상에 회로소자 삽입을 위한 회로소자용 홈(13a)을 형성하고, 이렇게 형성한 회로소자용 홈(13a)의 일측과 연결되면서 한쪽으로 길게 연장되는 형태의 회로도선용 홈(13b)을 형성한다.

여기서, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 회로도선용 홈(13b)을 형성하면 회로도선(12)의 선폭 조절, 즉 전도성 재료의 선폭 조절이 쉽기 때문에 공정 제조가 매우 용이하며, 그 위에 다른 층이 덮일 때 단선의 위험이 극히 낮아지게 된다.

즉, 홈을 형성하지 않고 전도성 재료를 토출한 후 경화시키고, 그 위에 다시 다른 층을 덮게 되면 노즐에서 토출되는 구조물 성형을 위한 재료의 온도가 높기 때문에 전도성 재료가 끊어지게 된다.

특히, 구조물의 단면 상에 회로소자용 홈(13a)과 연결되는 회로도선용 홈(13b)을 미리 형성함으로써 회로소자용 홈(13a)에 장착되는 각 회로소자의 장착 방향 설정이 용이하고 또한 회로소자와 전도성 재료와의 전기적 연결을 용이하게 수행할 수 있어 공정의 효율성을 크게 향상될 수 있다.

또한, 상기 구조물(10)을 형성하는 제1단계에서는 위아래 구조물(10)의 각 층 간을 전기적으로 연결하기 위한, 다시 말해 각 구조물(10)층에 삽입 및 형성되어 있는 회로소자 간, 회로도선 간, 또는 회로소자와 회로도선 간의 전기적 연결을 위한 수직방향의 홀(14)을 형성하는 단계가 수행될 수 있다.

즉, 제1단계에서의 구조물 형성 시 회로도선 등의 수직방향 연결을 위하여 회로도선 등이 위치하는 각 구조물 층 사이에 수직방향의 홀(14)을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 FDM 기술과 직접주사 기술을 이용한 3차원 회로 형성방법은 직접주사 방식으로 회로도선을 형성하고 회로소자를 장착하는 제2단계 공정을 포함한다.

이러한 제2단계는 구조물(10)에 형성한 홈(13)에 회로소자(11)을 삽입 장착함과 동시에 회로도선(12)을 형성하여 회로소자(11)와 회로도선(12) 간을 전기적으로 연결하는 과정으로 이루어진다.

즉, 제2단계에서는 구조물(10)의 회로소자용 홈(13a)에 회로소자(11)을 삽입하고, 회로도선용 홈(13b)을 따라 직접주사 방식으로 도전성 재료를 주사하여 회로도선(12)을 형성하여, 이때의 회로소자(11)와 회로도선(12)이 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.

또한, 상기 제2단계에서는 구조물(10)에 형성되어 있는 수직방향의 홀(14)에도 직접주사 방식으로 전도성 재료를 주입하여 수직의 회로도선(12)을 형성하고, 따라서, 각 구조물 층의 회로도선(12) 간이나 회로소자(11)측을 전기적으로 연결한다.

이와 같이, 상기 제1단계 및 2단계를 통해 구조물 형성과 회로소자 삽입 및 회로도선 형성이 완료되면, 회로도선(12)과 회로소자(11)가 있는 구조물(10) 위에 FDM 방식으로 여러 층의 구조물(10)을 적층 형성하는 제3단계를 수행하고, 이러한 제1단계 내지 제3단계를 반복하여 실행하는 제4단계를 통해 3차원 회로를 제작할 수 있다.

즉, 비전도성 재료 및 전도성 재료의 다중재료를 사용함과 동시에 단일 공정 하에서 제1단계 내지 제4단계가 수행되므로서, 매우 단순한 공정을 통해 복잡한 형태의 3차원 회로 장치를 효과적으로 제작할 수 있다.

상술한 방법에 의해 제작된 본 발명에 의한 3차원 회로는 기판을 이루는 것으로 비전도성 재료가 적층되어 이루어진 구조물(10)과, 구조물(10)의 적층된 단면에 형성된 회로소자용 홈(13a)에 장착되는 회로소자(11), 회로소자용 홈(13a)의 한쪽 옆에 형성된 회로도선용 홈(13b)에 전도성 재료가 채워져서 회로소자(11)와 전기적으로 연결되는 회로도선(12)으로 이루어진다.

이때, 구조물(10)의 적층된 단면에는 회로소자용 홈(13a)과 회로도선용 홈(13b)은 서로 간에 연속적으로 이어지는 구조를 갖는다. 이로 인해 회로소자용 홈(13a)에 끼워지는 회로소자(11)와 회로도선용 홈(13b)에 채워지는 회로도선(12)은 동일 평면상, 즉 구조물의 적층된 단면상에서 자연스럽게 연결되어질 수 있다.

그리고 상기 회로도선(12)이 위치하는 각 층 사이에 수직방향으로 형성된 홀(14)에는 전도성 재료가 주입되거나 또는 전도성 재료로 이루어진 핀(pin)이 삽입되어 각 층마다 배선된 회로도선(12)이 수직방향으로 연결된다.

한편, FDM 방식으로 3차원 구조물(10)을 형성함에 있어 3차원 형상을 얇은 단면으로 나누고 이를 순차적으로 쌓아 올려 형상을 제작함 있어서 구조물의 단면층은 그물망 형태로 적층 형성될 수 있게 된다.

예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 사선 방향으로 띠 모양을 이룸과 더불어 일정 간격을 두고 서로 나란한 여러 줄의 제1층 구조물(10a)을 형성하고, 이렇게 형성한 제1층 구조물(10a) 위에 이에 대해 교차하면서 엇배열되는 제2층 구조물(10b)을 역시 사선 방향으로 띠 모양을 이룸과 더불어 일정 간격을 두고 서로 나란하게 여러 줄 형성하는 것을 반복함으로써, 여러 층이 그물망 형태로 차례차례 적층되는 판 상의 구조물(10)이 구현될 수 있게 된다.

그런데 구조물(10)이 그물망 형태로 성형되는 경우에는 후속 공정에서 주사되는 액체 상태의 전도성 재료 일부가 그물망 사이로 스며들게 되면 단선 및 합선의 원인이 될 수 있다. 따라서 3차원 회로 성형과 같이 전도성 재료가 토출되는 구조물은 그물망 형태가 생기지 않도록 하는 것이 중요하다.

본 발명에서는 FDM 방식을 통한 구조물 제작 시에 노즐에서 토출되는 비 전도성 재료의 폭과 두께를 최적으로 조절하는 것을 통해 구조물에 그물망이 발생되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.

특히, FDM 기술은 노즐을 통해 실 형태로 재료를 토출함과 동시에 재료를 기저판 및 성형 중인 구조물에 압착시킨다. 따라서 노즐과 기저판 사이의 간격은 선의 형태로 성형되는 구조물의 폭에 큰 영향을 주게 된다.

관련하여, 도 7은 재료가 토출되는 노즐과 기저판 사이의 간격이 성형된 구조물의 폭에 미치는 영향을 보여주기 위한 개념도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 재료 공급량이 같은 조건에서 노즐(30)과 기저판(20) 사이의 간격(H)은 도 7(a)가 도 7(b)보다 크다. 이때, 성형되는 구조물의 폭(W)은 도 7(b)가 도 7(a)보다 커지게 된다.

즉, 노즐(30)과 기저판(20) 사이의 간격이 작으면 재료가 넓게 퍼져 성형되는 구조물의 폭이 커지게 되고 이로 인해 구조물에 그물망이 발생되는 것이 방지된다.

또한, 각 층의 구조물(10)의 적층 두께가 낮아지게 되면 성형되는 재료의 폭이 두꺼워져서 재료와 재료 사이의 간극이 발생하지 않게 되어 구조물에 그물망이 발생되는 것이 방지된다.

이와 같이, 본 발명에서는 FDM 방식과 직접주사 방식을 통해 3차원 회로를 형성하는 방법, 즉 FMD 방식에 의해 고체재료를 녹여서 노즐로 토출하여 구조물을 형성하였다. 특히, 구조물 형성 단계에서 회로소자 삽입 및 회로도선 성형을 위한 홈을 형성하고, 구조물의 홈에 회로소자를 삽입함과 동시에 직접주사 방식에 의해 회로도선을 성형하여 회로소자를 전기적으로 연결하고, FMD 방식에 의해 홈이 위치하는 층까지 구조물을 성형하고, 필요에 따라 위의 과정을 반복하여 적층하는 방식을 통해 3차원 회로를 형성하는 방법을 구현하였다. 이에 따라 복잡한 형태의 3차원 회로를 매우 단순한 공정을 통해 효율적으로 제작할 수 있으며, 특히 구조물을 형성하는 과정에서 회로소자 삽입 및 회로도선 배선을 위한 홈을 형성함으로써 제조 불량을 줄일 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있다.

10 : 구조물
10a : 제1층 구조물
10b : 제2층 구조물
11 : 회로소자
12 : 회로도선
13 : 홈
13a : 회로소자용 홈
13b : 회로도선용 홈
14 : 홀

Claims (8)

1. 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로를 형성하는 방법으로,
   비전도성 재료를 노즐을 통해 압출하여 구조물을 형성하는 단계에 있어서, 구조물의 단면을 형성하는 중에 회로소자 삽입을 위한 홈을 형성하는 단계;
   상기 구조물의 단면 형성 중에 회로소자 삽입을 위한 홈의 한쪽 옆에 회로도선 성형을 위한 홈을 형성하는 단계:
   상기 회로소자 삽입을 위한 홈에 회로소자를 장착함과 아울러 상기 회로도선 성형을 위한 홈에는 전도성 재료를 채워서 회로소자와 전기적으로 연결하는 단계; 및
   상기 회로도선과 회로소자가 있는 구조물의 단면 위에 비전도성 재료로 구조물을 적층 형성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구조물은 FDM 방식을 이용하여 비전도성 재료를 토출하여 형성되고, ,상기 회로도선은 직접주사 방식을 이용하여 전도성 재료를 토출하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 FDM 장치와 상기 직접주사 장치는 하나의 헤드에 일체로 장착되어 FDM 방식에 의한 비전도성 재료의 토출과 직접주사 방식에 의한 전도성 재료의 토출이 단일 공정에서 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 구조물 형성 시에 회로도선의 수직방향 연결을 위하여 회로도선이 위치하는 각 층 사이에 수직방향의 홀을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 수직방향의 홀에 전도성 재료를 주입하거나 또는 전도성 재료로 이루어진 핀(pin)을 삽입하여 각 층의 회로도선 간을 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 구조물의 단면 형성 중에 노즐로부터 토출되는 비전도성 재료의 폭과 두께 조절을 통해 구조물 단면에 그물망 형태가 발생되지 않도록 성형하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 회로 형성방법.
   
7. 3D 프린팅 방식으로 제작된 3차원 회로로서,
   비전도성 재료가 적층되어 이루어진 구조물;
   상기 구조물의 적층된 단면에 형성된 회로소자용 홈에 장착되는 회로소자; 및 상기 회로소자 홈의 한쪽 옆에 형성된 회로도선용 홈에 전도성 재료가 채워져서 회로소자와 전기적으로 연결되는 회로도선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회로.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 회로도선이 위치하는 각 층 사이에 회로도선의 수직방향 연결을 위하여 형성된 홀에는 전도성 재료가 주입되거나 또는 전도성 재료로 이루어진 핀(pin)이 삽입된 것을 특징으로 하는 3차원 회로.
   
   
   
   

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